生物钟基因图解
生物钟课件
调节机制1-内源性学说
������ 生物的有机体系统能自我预知时间，
完全不依赖环境中的周期性变化。精确 的生物节律要依靠不断扭正同环境中光、 温度、潮汐的不规则波动以实现和外界 环境的节律保持同步。
内源性学说证据
鸡在胚胎中已存在肝脏糖原含量的昼 夜节律变化，小鸡一旦孵化出来，立即表 现出活动的昼夜节律。可见，这种节律变 化是内源的，并不需要外界信号的诱导。
这一周期的特定时间。
5. 年节律
随着白天的缩短和温度降低，动物会对严酷和寒冷
气候作好准备，这种行为受年生物钟的调控。
环境的季节变化是很明显的，特别是在温带地区，
帝王蝶迁徙
6. 短周期节律
其特点是节律周期很短，通常是几分钟
到几小时不等。
如草原田鼠，每次取食活动后接着便是
一个休息期，每次取食－休息周期为20－
实验室钟，植物仍然有节律的抬起和下垂。
1934年（John Welsh）——首次研究甲壳动物和
昆虫的生物钟。
1948年（F.A.Brown）——提出生物具有时间觉。 1950年 时间生物学诞生。
四、生物钟（生物节律）的类别
1. 日节律：生物行为的日节律（daily rhythms）
是对各种环境条件（光照，温度，湿度，食
120分钟不等，通常每次活动为12－20分钟，
然后是休息期。
7. 间歇节律
有些动物的活动属于间歇性的或者间断性 的，其发生周期没有特定的规律。 如很多沙漠昆虫的生殖就属于间歇节律， 它们的生殖与否取决于下不下雨，有雨水就
生殖，没雨水就不生殖，而2次下雨之间的
干旱期长短是没有规律的。
五、生物钟的形成机制
物和天敌等）昼夜变化的一种综合性适应。
生物钟
定义
定义
生物钟能够在生命体内控制时间、空间发生发展的质和量叫生物钟。
地球上的所有动物都有一种叫“生物钟”的生理机制，也就是从白天到夜晚的一个24小时循环节律，比如一 个光-暗的周期，与地球自转一次吻合。生物钟是受大脑的下丘脑"视交叉上核"（简称SCN）控制的，和所有的哺 乳动物一样，人类大脑中SCN所在的那片区域也正处在口腔上腭上方，我们有昼夜节律的睡眠，清醒和饮食行为 都归因于生物钟作用。
人的生长发育行为的产生，都是染色体上的基因决定的，什么时候停止生长，什么时候产生性欲，什么时候 分娩，什么时候停经等等这一切都是一个人按时按刻来完成的，没有一个不是生物钟的体现，所以DNA就是生物 钟，是它决定一个人的一切生理进程。如果DNA所决定的这些按时按刻出现的东西都不属生物钟的范畴，那就没 有人体生物钟了。
古来托曼博士曾经做过一项叫做“洞窟实验”的实验。受试者有6人，让他们生活在洞窟中，洞中恒温、恒 湿，空气新鲜，消除一切干扰，断绝一切外界信息。其中1名受试者，体温高峰是在上午9：00～11：00，就寝时 间安排在22：30，此时体温正在下降，结果很快就能入睡。有4个人，生活规律与体内节律不一致，22：30时体 温仍很高，安排在这个时间睡眠，常常很难入睡。有一名受试者到凌晨1时体温仍很高，此人1时30分以前很难睡 着。
科学研究发现，冬天的寒冷影响着人体的内分泌系统，使人体的甲状腺素、肾上腺素等分泌增加，从而促进 和加速了蛋白质、脂肪、碳水化合物三大类热源营养素的分解，以增强机体的御寒能力，这样就造成人体热量散 失过多。因此，冬天营养应以增加热能为主，可适当多摄入富含碳水化合物和脂肪的食物。
对于体质偏弱而无严重疾病的人来说，可以根据自己身体的实际情况，适当选用一些药食两用的食品，如红 枣、芡实、薏苡仁、花生仁、核桃仁、黑芝麻、、山药、扁豆、桂圆、山楂、饴糖等，再配合营养丰富的食品， 就可达到御寒进补的目的。
生物钟讲课(1)
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Ron Konopka
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生物钟基因Clock突变小鼠
Wild type
Clock+/-
Clock-/-
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JOSEPH TAKAHASHI Science. 29, 1994; 264(5159): 719–725
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N Huang et al. Science 2012;337:189-194
Published by AAAS
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N Huang et al. Science 2012;337:189-194
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N Huang et al. Science 2012;337:189-194
Mutations that reduce repression of CLOCK:BMAL1 transactivation by CRY localize to CLOCK PAS-B HI loop.
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Lipids Health Dis. 2010; 9: 22.
Daily profiles of expression of clock genes Bmal1, Cry1,
Per2 and Rev-erbα in the mouse heart at the postnatal day
1 (P1), P3, P5.
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The mammalian circadian timing system
Hypothalamus
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12时～下午2时，此间一天中快 乐的情绪达到了高潮，适宜进行
商业社会活动。
最佳刷牙时间：应在饭后3分 钟内进行，因此时口腔内细菌 分解食物残渣所产生的酸性物 质，会腐蚀和溶解人的牙釉质，
此时刷牙效果最好。
下午一点
• 午饭后，精神 困倦，白天第 一阶段的兴奋 期已过。
最佳午休时间：人脑的活动能力在 下午1时左右为低落，故此时午睡
最佳工作时间：上午10时至下午3 时工作效率最高。一般而言，上午 适 于脑力劳动，下午适于体力劳
动。
上午8～11点，是组织、计划、 写作和进行一些创造性思维活 动的最佳时间。最好把一天中 最艰巨的任务放在此时完成。
12点钟
• 人体的全部精力都已调动起来。全身总动 员，需进餐。此时对酒精仍敏感。午餐时 一桌酒席后，下半天的工作会受到重大影 响。
2点钟
• 肝脏仍继续工 •作此，时利人用体这大段 人部体分安器静官的工时 间作，节加律紧均产放生 人慢体或所停需止要工的 各作种，物处质于，休并 把整一状些态有。害物 质清除体外。
3点钟
• 全身休息，肌 肉完全放松， 此时血压低， 脉搏和呼吸次 数少。
4点钟
• 血压更低， 脑部的供血 量最少，肌 肉处于最微 弱的循环状 态，呼吸仍 然很弱，此 时人容易死 亡。高睡眠质量。来自11 12101
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1点钟
• 此时易醒/有梦， 对痛特别敏感，有 些疾病此时易加剧。
昼夜节律基因
昼夜节律基因昼夜节律基因，也称为生物钟基因或时间基因，是一类调控生物体内昼夜节律的基因。
它们通过编码一系列蛋白质，参与调控生物体的生物钟系统，从而使生物体能够适应环境的周期性变化。
生物钟是生物体内部的一个自然节律系统，它能够帮助生物体预测和适应环境的变化。
昼夜节律基因是生物钟调控的关键因素之一。
在人类和其他物种中，昼夜节律基因主要包括Clock、Bmal1、Period和Cry等。
Clock基因是昼夜节律基因中的重要成员之一。
它的编码产物是一种蛋白质，能够与Bmal1蛋白结合形成复合物，进而激活一系列下游基因的表达。
这些下游基因包括Period和Cry等，它们的表达水平会随着时间的推移而发生周期性变化。
Period和Cry基因编码的蛋白质能够负向调控Clock和Bmal1的活性，形成一个自我调控的负反馈回路。
昼夜节律基因的表达受到多种因素的调控，其中最重要的是光照。
光照是生物体感知时间的主要信号，它能够通过视网膜中的光敏色素感受到环境的光照强度和波长。
当光照强度较强时，光敏色素会产生信号传递到脑垂体，进而调控昼夜节律基因的表达。
这种调控主要通过调节Clock和Bmal1基因的转录水平来实现。
除了光照，昼夜节律基因的表达还受到其他因素的调控，比如温度和社交因素等。
研究发现，温度的变化可以直接影响昼夜节律基因的表达水平。
而社交因素，比如与他人的互动和社会地位的改变，也会对昼夜节律基因的表达产生影响。
昼夜节律基因在生物体的生理和行为过程中起着重要的调控作用。
它们能够影响睡眠、饮食、代谢、免疫和心理等方面的功能。
研究发现，昼夜节律基因的突变或异常表达会导致一系列的生理和行为异常，比如睡眠障碍、抑郁症和代谢综合征等。
昼夜节律基因的研究不仅有助于深入了解生物钟调控的机制，还对人类的健康和疾病治疗具有重要意义。
通过研究昼夜节律基因的功能和调控机制，我们可以探索新的治疗方法和药物靶点，为人类的健康提供更多的选择和希望。
CLOCK基因简介
生物钟基因简要概述昼夜节律是自然界最普遍的一种自然现象, 它的存在使生物体的生理、生化、行为等生命现象表现为以24 h 为周期的振荡。
昼夜节律发生的物质基础是分子计时器, 即昼夜节律生物钟(circadian clock) 。
它由一组特异的核心元件组成, 包括Clock、Bmal1、Pers 、Crys、Tim 等基因及其相关蛋白产物[1]。
生物节律的基本分子机制, 是这些核心元件构成的转录- 翻译负反馈环。
这个机制本质上是内源性的, 但同时会受环境信号, 尤其是光信号的导引。
哺乳动物的主生物钟被定位在下丘脑视交叉上核( suprachiasmatic nuclei, SCN) ,当它受到异常刺激后, 机体的昼夜节律可发生改变, 严重时会导致疾病。
但到目前为止, 维持生物钟运行的确切分子调控过程还不清楚。
人类下丘脑视交叉上部具有特化的神经核团，即SCN，是生命活动的时序控制器，它们通过神经递质内分泌和体液途径影响周围器官和组织，控制和调节着睡眠和觉醒、代谢、内分泌、细胞增殖分裂和凋亡, 以及免疫等各个层面, 使生命活动在时序上协调有序。
[2]而操控这些生命活动有序性进行的正是Clock基因、Bmal1基因、Crys基因等一系列生物钟基因。
其中Clock基因是惟一的, 也是最早用正向遗传法鉴定出的。
它是动物近日节律(circadianrhythm) 的必要调控者, 在节律时钟的组织中起着中心作用。
[3]Clock基因的结构1994年美国西北大学Takahashi教授领导的研究小组发现, 单个的碱基突变可导致小鼠的生物钟节律丧失, 他们将这个半显性突变定位于第5号染色体的Clock基因上[4]1997年5月Cell杂志报道了美国西北大学的Takahashi研究小组成功克隆了小鼠的生物钟基因。
1999年4月Genonics杂志报道了美国西北大学的Takahashi研究小组对人类Clock基因(hCk)的克隆结果。
生物钟与时辰生物学
但其确切机制尚不很清楚。神经可塑性 （neuroplasticity）是人脑适应环境变化最基本的
细胞生物学机制。最常见的例子就是人脑的学习与记
忆功能。
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钟基因（clock gene)
Bmal1 Clock Per1 Per2 Cry1 Cry2 ……
钟控基因（clock controlled genes)： about 10％ of all genes
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前移。(Ding JM)
光照 10min
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❖ 神经可塑性参与机体对环境变化的长时程
适应
夜间光照可以引起生物钟 (SCN) 的相移。大幅度
的相移需要数天时间才能重新调定。在倒时差的过程 中，SCN 内部的神经细胞在功能与结构上都发生很大
变化。近年来的研究提示，生物钟的重调定 （circadian clock resetting）与神经可塑性有关，
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Nalgene Cages (supplied by Mini Mitter)
Running wheel
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生物钟的生理机制和调节方法
生物钟的生理机制和调节方法生物钟指的是一种内在的生理节律系统，对生物体的各种函数和行为具有一定的规律性。
生物钟的生理机制主要包括钟摆模型、锥体-上丘脑-松果体（SCN）模型和基因表达模型。
调节生物钟的方法主要有光线照射、社交活动、饮食调节、药物调节等。
一、生物钟的生理机制1.钟摆模型：钟摆模型认为生物钟的运作就像一个摆动的钟摆，通过内部的负反馈机制来维持节律的正常运转。
这个模型认为在一定的时间周期内，生物钟内部的蛋白质及其合成过程的积累和降解会出现一种周期性变化，这种变化会引起体内其他重要物质的变动，从而控制着生物体的各种功能和行为。
2.SCN模型：锥体-上丘脑-松果体（SCN）模型是现代生物钟研究中最具有影响力的模型。
在这个模型中，松果体(SCN)被认为是主要的控制中心，它受到外界光信号的影响，通过神经途径影响下丘脑和其他脑区的神经元活动，从而调节生物体的各种生理节律。
3.基因表达模型：基因表达模型认为生物钟的节律性是由特定的基因及其表达产物所调控的。
在这个模型中，一些特定的“钟基因”被认为是生物钟节律的关键因素，并通过一系列复杂的生化反应网络来实现节律调控。
二、调节生物钟的方法1.光线照射：光线是调节生物钟的重要外界信号。
研究表明，暴露在明亮的光线下可以抑制松果体的分泌褪黑激素，从而增加人体的警觉性。
因此，在白天尽量多接触光线，晚上则避免强烈光线的刺激，有助于调节生物钟。
2.社交活动：社交活动可以通过增加精神活动和社交互动来增加人体的警觉性，改善睡眠质量，有助于调节生物钟。
例如，与朋友一起出去散步、聊天，参加集体体育活动等，都可以帮助调整生物钟。
3.饮食调节：饮食调节可以通过控制进食时间和食物成分来调节生物钟。
例如，固定每天的进食时间，避免晚上过晚进食，可以帮助生物钟的正常运转。
此外，摄入富含色氨酸的食物，如牛奶、香蕉等，可以提高褪黑素的合成，有助于改善睡眠质量。
4.药物调节：一些药物可以通过调节神经递质的释放和受体的活性来影响生物钟。
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Michael W. Young Prize share:1/3
杰弗里.霍尔 (Jeffrey C. Hall)
第一章 第二章 第三章 第四章
杰弗里.霍尔(Jeffrey C. Hall)，美国遗传学家，1945年 出生于美国纽约。1971年在西雅图华盛顿大学获得博士学 位，1971年至1973年在加州理工学院担任博士后研究员。 1974年，他加入了布兰迪斯大学任教职。杰弗里.霍尔现 已退休。
另外一个基因doubletime, 它编码的蛋白质DBT能够延缓蛋白质PER 在细胞中的积累，从而也就可以调控PER积累的周期，使其与24小时尽可 能地接近。
目录
第一章 第二章 第三章 第四章
1
获奖人简介
昼夜节律 （生物钟）
2
3
控制生物钟 的分子机制
如何制造 一台生物钟
4
四、如何制造一台生物钟
第一章 第二章 第三ห้องสมุดไป่ตู้ 第四章
2
3
控制生物钟 的分子机制
如何制造 一台生物钟
4
二、昼夜节律（生物钟） 牵牛花四点开花
第一章 第二章 第三章 第四章
昙花一现在晚上八九点
向日葵日落低头
二、昼夜节律（生物钟） 雄鸡黎明报晓
第一章 第二章 第三章 第四章
猫头鹰昼伏夜出
招潮蟹在潮水来前 出现在洞口
第一章 第二章 第三章 第四章
人体在一天中的不同生理活动也受生物钟调控
水流大
水快满了
迈克尔. 杨
杰弗里.霍尔
迈克尔·罗斯巴什 （Michael W. Young） （Michael Rosbash）
(Jeffrey C. Hall)
Thank you
2
3
控制生物钟 的分子机制
如何制造 一台生物钟
4
第一章 第二章 第三章 第四章
一、获奖人简介
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017
获奖理由：因发现控制昼夜节律的分子机制。
Jeffrey C. Hall Prize share:1/3
Michael Rosbash Prize share:1/3
2
3
控制生物钟 的分子机制
如何制造 一台生物钟
4
三、控制生物钟的分子机制）
第一章 第二章 第三章 第四章
period基因编码 的蛋白质PER会在晚 上积累（增多），而 在白天降解（减少）， 意味着蛋白质PER的 表达水平和昼夜节律 存在某种相关性。因 此假设，蛋白质PER 会抑制period基因的 表达（自体负反馈）。
迈克尔·罗斯巴什 （Michael Rosbash）
第一章 第二章 第三章 第四章
迈克尔·罗斯巴什（Michael Rosbash），美国遗传学 家，1944年出生于美国堪萨斯城。他于1970年获得美国 剑桥的麻省理工大学博士学位。后在苏格兰的爱丁堡大学 做了三年博士后研究。1974年以来，在美国沃尔瑟姆的布 兰迪斯大学任职。
高警觉性 血压上升最快 皮质醇的释放
体温最低 深睡眠
协调性最佳 反应速度最快
体温最高 血压最高
褪黑素分泌
第一章 第二章 第三章 第四章
视交叉上核 (SCN, suprachiasmatic nucleus) 是哺乳动物（包括人）最重要的“生物钟”
目录
第一章 第二章 第三章 第四章
1
获奖人简介
昼夜节律 （生物钟）
逐鹿（惊鹿、鹿威、添水）
四、如何制造一台生物钟
晚上PER蛋白多
竹筒里的水多
第一章 第二章 第三章 第四章
PER蛋白 TIM蛋白 “锁”
白天PER蛋白多
竹筒里的水少
PER蛋白多 PER蛋白少 PER蛋白多
水快满了
第一章 第二章 第三章 第四章
无法蓄水， 水流光了
PER蛋白累积慢
水流小
几乎没水 PER蛋白累积快 重新蓄水
第一章 第二章 第三章 第四章
左起分别为，迈克尔·杨（Michael W Young）、杰弗理·霍尔（Jeffrey C Hall）、迈克尔·罗斯巴希（Michael Rosbash），三人曾获得2013年第十届邵 逸夫奖生命科学与医学奖。
目录
第一章 第二章 第三章 第四章
1
获奖人简介
昼夜节律 （生物钟）
三、控制生物钟的分子机制）
第一章 第二章 第三章 第四章
第二个调控昼夜节律的基因timeless (tim)，timeless基因编码的蛋 白质TIM对于维持正常的生物节律是必要的，蛋白质PER会和TIM结合， 然后一起进入细胞核抑制period基因的活动。
三、控制生物钟的分子机制）
第一章 第二章 第三章 第四章
第一章 第二章 第三章 第四章
迈克尔. 杨 （Michael W. Young）
迈克尔. 杨（Michael W. Young），美国遗传学家， 1949年出生于美国的迈阿密。1975年，他在奥斯丁的德 克萨斯大学（University of Texas）获得了博士学位。在 1975至1977年间，他在Palo Alto的斯坦福大学担任博士 后 研 究 员 。 1978 年 后 ， 他 在 纽 约 的 洛 克 菲 勒 大 学 （Rockefeller University）任职。
勇气和运气：生物钟的分子研究
——深度解读2017年诺贝尔生理学或医学奖
引言
运气，外在而缥缈； 勇气，内生而实在。 运气不会寻找勇气； 勇气可能碰到运气。
目录
1
获奖人简介
昼夜节律 （生物钟）
2
3
控制生物钟 的分子机制
如何制造 一台生物钟
4
目录
第一章 第二章 第三章 第四章
1
获奖人简介
昼夜节律 （生物钟）